木质纤(xian)维素是自然界中储(chu)量最丰富的可(ke)再生原料，广(guang)泛(fan)来源于木材、竹材、秸秆等，主要由纤(xian)维素、半(ban)纤(xian)维素和木质素（以下简称“三素”）组成。要想将竹材、秸秆等物(wu)尽其用(yong)，分门别类地变(bian)成纸张、衣服、口(kou)香糖和胶黏(nian)剂等物(wu)品，首先要解决将“三素”高质量分离的难题。
经(jing)过多年研究，中国科学院大(da)连化学物(wu)理研究所王峰研究团队在木质纤(xian)维素三素分离和高值化利用(yong)方向取得(de)重要突破。这一研究成果在助力非石化资源高值化利用(yong)、助力实现“双碳”目标的同时，有望解决我国生物(wu)质原料利用(yong)不充分、生物(wu)质基材料进口(kou)依(yi)存度高等问题。相关成果于5月29日发表在《自然》杂(za)志上。
优势
利用(yong)木质纤(xian)维素可(ke)助力实现“双碳”目标
据中国科学院大(da)连化学物(wu)理研究所副所长、研究员王峰介绍，与风能、水能、太阳能等不同，生物(wu)质是兼具物(wu)质与能量属(shu)性的可(ke)再生资源。生物(wu)质是植物(wu)和藻类直接或间接利用(yong)光，由水和二(er)氧化碳转化得(de)到的有机碳资源，具有天然碳汇属(shu)性。“开发利用(yong)好生物(wu)质，对于实现‘双碳’目标意义(yi)重大(da)。”
在自然界中，生物(wu)质来源广(guang)泛(fan)，储(chu)量丰富，占一次能源总(zong)量的1/10，具有巨(ju)大(da)的转化利用(yong)潜力。从广(guang)义(yi)上讲，生物(wu)质是指(zhi)通过光合作用(yong)形(xing)成的各种有机体，是自然界中可(ke)再生的有机物(wu)质，比如农副作物(wu)秸秆、林木资源、城市有机垃圾、藻类生物(wu)质等。狭义(yi)上的生物(wu)质是指(zhi)目前可(ke)以使用(yong)的木质纤(xian)维素，即由植物(wu)产生的干物(wu)质，其具有非粮属(shu)性，我国每年约有11.8亿吨。
我国木质纤(xian)维素总(zong)量大(da)，资源分布(bu)广(guang)。我国林业剩(sheng)余物(wu)理论资源量为每年3.5亿吨，集中在我国南方山区；秸秆理论资源量为每年8.3亿吨，主要分布(bu)在东北、河南、四川等产粮大(da)省。
难点
如何高质量分离三素是关键难题
木质纤(xian)维素由纤(xian)维素、半(ban)纤(xian)维素和木质素组成。要想将木质纤(xian)维素作为可(ke)再生化工原料使用(yong)，需(xu)要将三素分离，从而获(huo)取规模(mo)化利用(yong)的原料，供下游转化使用(yong)。
纤(xian)维素主要来源于木材、竹材、秸秆、棉花等。纤(xian)维素的产品市场应用(yong)前景广(guang)阔，比如原生纸浆可(ke)以用(yong)来造纸，纤(xian)维素含量高的溶解浆可(ke)以用(yong)来制衣，长丝、莱赛尔等面料就是以竹子、木材中的纤(xian)维素为原料。
半(ban)纤(xian)维素来源于玉米芯、木材、秸秆，其产品包括木糖及其衍生物(wu)。“大(da)家熟悉的是木糖醇口(kou)香糖。另外一些(xie)饮料宣称不含糖，其实含有木糖醇等甜味剂。”王峰说。
木质素来源于木材、秸秆，可(ke)以制成建筑领域的减水剂、分散(san)剂、胶黏(nian)剂等。同时，木质素经(jing)催化解聚还可(ke)制备绿色化学品、可(ke)再生材料和燃料，潜力巨(ju)大(da)。
不过，如何将三素高质量地分离，是摆在科学家面前的关键难题。据王峰介绍，从微观来看(kan)，木质纤(xian)维素的三种组分为疏(shu)水性的木质素、亲水性的半(ban)纤(xian)维素和纤(xian)维素。纤(xian)维素分子交织成束，分散(san)于半(ban)纤(xian)维素和木质素组分中，形(xing)成类似于“钢筋混凝土”的结构。这种结构在植物(wu)生长中发挥支撑和保护的作用(yong)，但也导致三组分难以通过物(wu)理方式分离。
如果通过酸、碱、有机溶剂等化学处理方式，可(ke)以实现木质素、半(ban)纤(xian)维素和纤(xian)维素组分的部(bu)分分离，但通常只能利用(yong)其中的一种或两种组分，以纤(xian)维素为主，难以实现三组分的高值化利用(yong)。
比如日常生活中常用(yong)的纸，主要是对木质纤(xian)维素进行化学法(fa)处理，部(bu)分脱除木质素生产的。但在制备过程中，由于木质素组分易发生不可(ke)控的碳碳键缩合反(fan)应，难以完全与纸浆分离，并导致木质素的催化反(fan)应活性大(da)幅降低，通常作为工业废料直接燃烧。
“我们在研究中发现，木质纤(xian)维素利用(yong)不充分的重要原因是，木质素在反(fan)应过程中容(rong)易发生自身(shen)缩合，即不可(ke)控地形(xing)成分子间和分子内的碳碳键交联(lian)。这是天然木质素的本征化学特性。就像(xiang)五六岁的小孩子，天生充满好奇，爱调皮。”论文的第一作者(zhe)李宁(ning)说，对于木质纤(xian)维素，木质素在反(fan)应过程中容(rong)易自缩合也是本性。
突破
因势利导解决木质素高值化有了新思路
针(zhen)对三素分离难题，大(da)多数(shu)研究团队选择了抑制木质素自身(shen)发生碳碳键缩合的策略，通过化学改性、催化解聚等方式稳定木质素组分，减少自缩合反(fan)应的发生。大(da)连化物(wu)所的研究团队重新思考了木质素缩合反(fan)应的“弊”和“利”，认为利弊是相对的，不存在绝对有利的反(fan)应或者(zhe)绝对有害的反(fan)应。
王峰说，木质素发生自缩合反(fan)应从化学上可(ke)归为芳(fang)基化反(fan)应，而芳(fang)基化反(fan)应本身(shen)并不是一件“坏事(shi)”，与其采用(yong)“堵”的方法(fa)抑制木质素缩合，不如利用(yong)木质素结构中存在自缩合反(fan)应位(wei)点的“优势”，解决芳(fang)基化反(fan)应选择性的问题。
因此，团队“因势利导”地引入与木质素结构类似且(qie)具有高亲核活性的酚类化合物(wu)，在分离过程中，酚与木质素发生选择性芳(fang)基化反(fan)应，阻止木质素无序自缩合过程。木质素芳(fang)基化改性后，溶解性显著提高，可(ke)与纤(xian)维素、半(ban)纤(xian)维素组分高效分离，同时保留了自身(shen)活性芳(fang)基醚结构，更有利于后续催化解聚。这一技术被称为催化木质素芳(fang)基化的三素分离（CLAF）技术。
王峰坦言，团队在科研过程中没少走弯路，“双碳”目标的提出让他们的信心更加坚定。“分离后得(de)出的生物(wu)质组分对国家的可(ke)再生资源开发具有非常重要的意义(yi)。风、光、水、核等提供的都(dou)是能量，在煤、石油、天然气等化石能源减少使用(yong)的情况下，谁来提供物(wu)质？谁来提供我们穿的衣服？生物(wu)质可(ke)再生资源的利用(yong)将大(da)有可(ke)为。”科研人员一直坚信，实验遇到的困难都(dou)是暂时的。
展望
原料筛选等方面还需(xu)创新突破
基于CLAF技术提取的芳(fang)基化木质素通过催化解聚，可(ke)制备环境友好的可(ke)再生双酚及寡聚酚。联(lian)产的纤(xian)维素组分和半(ban)纤(xian)维素糖可(ke)分别转化为高纯(chun)溶解浆和木糖、糠醛(quan)。
王峰说，CLAF技术以木质纤(xian)维素为原料，以高品质溶解浆、半(ban)纤(xian)维素糖、木质素双酚和聚合材料等作为重要出口(kou)。溶解浆中纤(xian)维素纯(chun)度高达95%以上，可(ke)替代棉花，提供纺织原料、药(yao)辅(fu)原料等；半(ban)纤(xian)维素糖可(ke)用(yong)于功能性糖、糠醛(quan)及其衍生物(wu)等重要平台化合物(wu)的生产，将有效拓宽半(ban)纤(xian)维素原料来源；木质素双酚及寡聚酚，虽暂无规模(mo)化应用(yong)，但现阶段的研究结果已经(jing)展现出其替代石化基双酚的巨(ju)大(da)潜力。作为热固性聚合物(wu)和热塑性聚合物(wu)的重要前体，木质素基双酚有望在涂料、胶黏(nian)剂、通用(yong)塑料和工程塑料领域提供可(ke)再生和环境友好的产品方案(an)。
使用(yong)CLAF技术分离三素也具有经(jing)济性。秸秆、竹片、木片的价格为500-1000元/吨，分离后，纤(xian)维素制成的溶解浆售价可(ke)达6000-8000元/吨，半(ban)纤(xian)维素制成的木糖、糠醛(quan)售价达9000-14000元/吨，木质素制成的芳(fang)基化木质素价格为4000-10000元/吨。
“我国去年进口(kou)了300多万吨溶解浆，进口(kou)依(yi)存度接近90%；木糖和糠醛(quan)类产品的市场需(xu)求量有50多万吨；双酚的国内需(xu)求也在400万吨左(zuo)右。木质纤(xian)维素下游产品市场是明确的，现在主要问题是如何经(jing)济、绿色地做好三素分离技术。在这条路上我们需(xu)要做的还有很多，比如在木质纤(xian)维素原料的筛选、反(fan)应过程减碳、催化剂和反(fan)应器的设计、产品纯(chun)化分离等方面，还需(xu)要持续创新、不断突破。”王峰说。
新京报记者(zhe)张璐